凍結層上水地區實用排水措施

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫 著；戴長雷，李卉玉 譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010； 2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院西北生態環境資源研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

凍結層上水地區實用排水措施

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫1著；戴長雷2,3,4，李卉玉2,5譯

(1. 俄羅斯科學院西伯利亞分院麥爾尼科夫凍土研究所，薩哈共和國 雅庫茨克 677010； 2.黑龍江大學 寒區地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；4.中國科學院西北生態環境資源研究所凍土工程國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；5.黑龍江省寒地建筑科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

研究凍結層上水地區實用排水措施對解決凍土地區居民因凍結層上水而帶來的諸多不便問題具有重要的作用。本文通過以建在永久凍土上最大的城市——雅庫茨克市為例進行說明，指出了：(1)永凍區土壤浸沒問題給許多居民帶來諸多不便；(2)永凍區土壤浸沒主要是人們在建設大量砌體結構房屋的同時，還對道路進行改造，鋪澆瀝青而造成的；(3)礦化凍結層上水的危害主要為其在多年凍土層下的滲漏引發的濕陷現象和其的廣泛分布使城區無法進行綠化；(4)永凍區城市排水要求為應從凍土、水文地質和工程地質角度綜合考慮，提出合理科學依據，制定實用的保護措施；(5)永凍區城市排水技術方案構建時建議形成統一的相互聯系的收集雨水和凍結層上水的三級排水系統。

土壤浸沒；排水；永凍區；凍結層上水；雅庫茨克市

1 永凍區土壤浸沒問題

如今，凍土地區的許多居民區正經歷著被凍結層上水浸淹帶來的諸多不便。這個問題產生的嚴重性讓我們以目前建在永久凍土上最大的城市——雅庫茨克市為例進行說明。

在雅庫茨克地區，土地受到浸淹已不新鮮。自20世紀60年代，從大規模開發建設開始，到設施完備砌體結構建筑投入使用后，這類問題就紛紛涌現。由于生活、生產用水總量增加，外部供水、供暖系統、管網的擴大，導致每年持壓管線發生故障滲漏的總量持續增加。

隨著多層住宅和工業建筑建設的規模擴大和節奏加快，開發建設湖泊洼地的空地成為必然。這些湖泊洼地多為U型洼地。人們把填平洼地、建設房屋作為首選，這給城市內自然排水帶來困難[1-4]。

2 永凍區土壤浸沒原因

在建設大量砌體結構房屋的同時，人們還對道路進行改造，鋪澆瀝青路基，在雅庫茨克市特殊的氣候和凍土條件下，路基起到了低溫阻塞物的作用，完全切斷了城市區域凍結層上水的徑流通道。這些水的分布呈點狀。除此之外，道路鋪澆瀝青，建筑物四周與房屋下面的空地澆筑混凝土，這也從根本上減少了水分的蒸發，大大減少了城市區域水平衡的支出項。

雅庫茨克市區發生浸淹，促使有害低溫作用的形成與發展，如熱潛蝕、熱侵蝕、凍脹、熱喀斯特等作用，它們對房屋、公路構筑物、地下管道、及其他類工程的地基穩定性造成了負面影響(見圖1)。

雅庫茨克市由于供熱系統大范圍漏水，造成侵蝕加快，導致瀝青路的毀壞圖1 瀝青路毀壞圖

3 礦化凍結層上水的危害

在礦化的凍結層上水分布地區，低溫作用發展得更為迅速。這些水在多年凍土層下的滲漏引發了濕陷現象，以面的形式發展，加大了市區沼澤化程度，并形成熱喀斯特湖。因此，最近十年內，在城市西北，形成了一個很大的湖，被稱為新湖。由于熱侵蝕作用，這個湖底以每年2～4 cm速度下降。而湖面則以1.5～2.0 m/a的速度持續不斷地縮小[5-7]。

礦化的凍結層上水的廣泛分布也是城區無法進行綠化的主要原因之一，當植物根部生長到這一水位時，植物就會死亡。這些植物只在有排水的地方才能存活(如沿城市防護堤，在鋪設有地下疏水集管的街道上，在勒娜河第二階地的高處等)。

4 永凍區城市排水要求

雖然雅庫茨克市區浸潤和受淹問題早在40 a前就已出現，但這一問題沒有根本解決。設置在城市街道旁的路面敞開式混凝土排水溝，由于在建設時沒有考慮到氣候特點、凍土水文地質、地貌條件的影響，導致這些排水溝不能實現排水功能，而很快就被破壞掉，變成垃圾場(見圖2)。由于沒有組織地收集和排出由屋頂流下的大氣降水，加劇了凍結層上水入滲，使居民區內受淹，出現房屋與建筑物地基不均勻沉降和變形。

由于降雨，下水道水位發生變化，導致裸露在外的混凝土受到破壞和變形，由此引起了季節性膨脹和土壤的塌陷圖2 路面敞開式混凝土排水溝破壞圖

唯一被廣泛應用的防止城區受浸淹的方法是采用外運土來填筑。因此，在每一份總平面圖中都有一條標準說明：“當建筑時，必須全部或選擇性地進行填筑。”依照這一建議，施工人員采用外運土對場地進行填筑，而不考慮總的城市規劃，不遵守統一標高，以及地表水、凍結層上水水流方向的坡度。因此一些舊建筑，特別是建在私人地塊上的舊建筑，就處在了人為制造出的洼地上，凍結層上水加重了它們受浸淹的程度。在城市道路和設施完善改造時，也會大量采用外運土進行填筑的方法。例如，在一些道路的路基剖面，澆筑了多層瀝青，這些瀝青層之間被外運土層分隔，這就導致個別路面的高度相當于舊房屋屋頂一樓的高度。

所有上述所說無疑說明，必須立即采取有效措施，解決城區排水問題，否則危機很快轉變成災難。

目前，無論是在雅庫茨克市，還是其他位于多年凍土區的大型居民區，防止區域受浸淹的工作變得愈加困難，其主要原因如下。

(1)由于嚴寒的氣候條件和復雜的凍土水文地質條件，無法采用標準定型的排水結構物和雨水排出系統。

(2)區內的工程建設，包括地下電纜設施、水持壓管道、天然氣和其他城市管網，大大增加了排出凍結層上水最優方案的應用難度。

在學前兒童體育游戲創編活動實際設計中，要先以體質健康和心理健康為主導制定游戲目標和任務，再利用幼兒園資源，挖掘一些可用的體育游戲素材，實施游戲[1]。如，親子游戲、灌籃高手低級版游戲等等。同時，在體育游戲內容選擇上，要注重游戲內容可拓展性和思想教育性，并根據學前兒童年齡差異，確定具體的體育游戲內容。比如，對于小班的兒童，可以簡單的體力、智力體育游戲為主。對于中班的兒童，可以體力、協調力游戲為主。對于大班幼兒，可以智力游戲為主，在體育游戲中發展幼兒思維水平。具體的學前兒童體育游戲創編活動內容選擇如下所示：

(3)按照保持凍土凍結狀態原則建造的房屋、路基，及施工場地填筑對凍結層上水徑流有很高的調節作用，這使得排水設施完成其正常的功能變得困難。

(4)由于生活生產用水量的不斷增加，使現有的城市排水管道疏水負荷過重，無法將水全部及時排出。

(5)凍結層上水在所謂的“文化層”發揮著作用。“文化層”是指采用外運土覆蓋在各種垃圾堆、污水坑、廢棄的坑洞、甚至古老的墳地上。“文化層”土壤滲透性不均給排水系統的運行造成極大的困難。此外，其鹽漬化程度高，腐蝕性強，被污染的有毒和含有細菌的凍結層上水不允許未經預先凈化直接排向城市地表水流和水池中。

(6)從冬季到春夏季，因持壓管線的故障滲入到土壤中的水，額外補給了凍結層上水，并進行了再分配。冬季，幾乎所有因故障發生滲漏的水全部聚積、凍結，形成人為的冰椎。在暖季，它們的融化增加了水平衡中的收入項，增大了城區浸潤程度。根據觀測結果，在雅庫茨克市區，冰椎融化徑流層厚度每年平均為55 mm，個別區域達到200 mm/a[8]。

上述存在的問題表明，在凍土地區防治被建區域浸潤和受淹工作具有極大的難度，同時也說明應從凍土、水文地質和工程地質角度綜合考慮，提出合理科學依據，制定實用的保護措施。

5 永凍區城市排水技術方案

根據上文所述：探明在多年凍土中，包氣帶的水分變化具有特殊性和凍結層上水形成規律和情勢變化規律，建議在已建設區域采用綜合的排水系統[9-11]。

這套排水系統把雨水和季節融化層凍結層上水排水相結合起來，同時考慮地表雨水徑流和凍結層上水徑流之間的密切關系。

實用綜合排水系統主要包括：總排水管、主(街道)排水管和分區(街區內)排水管(見圖3)。

圖3 自排水泵建設區地上凍土匯流綜合示意圖

總排水管：鋪設總排水干管是第一步，目的是將水從疏水區域引出。總排水管應沿主街道，按著地面的自然坡度進行鋪設。

總排水管應采取暗埋形式，是為了延長其使用年限，同時保證安全有效地收集和排出疏水區域雨水和凍結層上水。暗埋式的總管可以設置在地下深處(達到4.5～6.5 m)，進而保證自流入和自流出。總管上面覆蓋滲透性較好的土(碎石、礫石)。

該總排水管的結構特點(圖4)是直徑不小于800～1000 mm陶瓷管或聚合物管材。管子上半部分鑿有圓形孔或條形孔，上面覆蓋過濾性功能的材料(玻璃纖維，巖棉)。這樣的結構可以保證總管發揮其疏水功能。管子下半部分不用鑿孔，便于水排出。春季時，當融化雪水進入總管內，而周圍土溫處于0 ℃以下，為防止其在總管內凍結，應在總管內鋪設加熱電線。

圖4 狹縫中排水收集器的設計模式圖

為了保證水沿著總排水管自由排出，必須配置專門的配給容器(見圖5)。配給容器的結構能夠保證必要的坡度，使水流在總管內順暢通過。在暴雨期或當融化雪水徑流加大時，可以抽出配給容器內的水。此外，利用這些配給容器，可以對整個排水系統進行冬期前維護。在冬季初，用泵將配給容器內的水抽出，配給容器之間的距離應保證水自流保持一定坡度(不小于0.005)。

圖5 地下排水管道的泄流能力圖

主(街道)排水管：收集雨水徑流和凍結層上水徑流，并將其引至總排水管。結構上，主排水管與總排水管可能相同，區別只是前者管徑小些(300～500 mm)。

街道排水管應配有加熱電線，用來融化在冬季和春季時可能在管內結的冰。沿著街道排水系統也可以配置小尺寸的配給容器，為雨水和凍結層上水流動創造必要的坡度。

分區(街區內)排水管：收集街區和各個大型建筑物的雨水和該處的凍結層上水，并將它們引向主(街道)排水管。結構上無異于總排水管和街道排水管，只是分區排水管直徑更小些(100～200 mm)。分區排水管可以圍繞單棟建筑物，這時分區排水系統不僅要排出來自屋頂的水流，還要排出持壓管線可能因故障發生滲漏的水流。

總之，為了解決凍土地區疏水這一難題，建議形成統一的相互聯系的收集雨水和凍結層上水的三級排水系統。這套系統的建立和正確使用可以有效地保護所有居民區或一部分區域免受浸潤、水淹和低溫災害的威脅。應當指出，這套實用的排水系統也可以運用到道路建設中，特別是在建設公路或鐵路排水設施時。同樣，這套排水系統也可在高含冰量的多年凍土分布地區和地下冰分布地區鋪設使用。

6 結 論

(1)永凍區(如雅庫茨克地區)土壤浸沒問題給許多居民帶來諸多不便。

(2)永凍區土壤浸沒原因主要為：人們在建設大量砌體結構房屋的同時，還對道路進行改造，鋪澆瀝青。

(3)礦化凍結層上水的危害主要為：這些水在多年凍土層下的滲漏引發的濕陷現象和這些水的廣泛分布使城區無法進行綠化。

(4)永凍區城市排水要求為：應從凍土、水文地質和工程地質角度綜合考慮，提出合理科學依據，制定實用的保護措施。

(5)永凍區城市排水技術方案構建時建議形成統一的相互聯系的收集雨水和凍結層上水的三級排水系統。

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Practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone

Written by Viktor Vasilievich Shepelev1; Translated by DAI Changlei2,3,4, LI Huiyu2,5

(1.MelnikovPermafrostInstituteSiberiaBranchoftheRussianAcademyofSciences,Yakutsk677010,Russia;2.InstituteofGroundwaterinColdRegion,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;3.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China;4.StateKeyLaboratoryofFrozenSoilEngineering,NorthwestEnvironmentalResourcesResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,LanzhouGansu730000,China;5.InstituteofArchitectureScienceinColdRegion,Heilongjiang,Harbin150080,China)Abstract：It is very important to study the practical drainage measures in the suprapermafrost water in the cryolithozone to solve the problem which makes residents inconvenient because of the suprapermafrost water in the cryolithozone. By taking the example of Yakutsk, the largest city built on the permafrost, it points that: (1)The soil submergence in the permafrost zone brings many inconveniences to many inhabitants; (2)The soil submerged in the permafrost zone is mainly caused by the construction of a large number of masonry structures and the renovation of the roads and the pouring of asphalt. (3)The damage of the mineralized suprapermafrost water in the cryolithozoneis mainly caused by the seepage under the permafrost layer and its widespread distribution, which makes the urban area unable to be afforested;(4)The requirements of urban drainage in the permafrost zone are as follows: think from the perspective of frozen soil, hydrogeology and engineering geology, put forward reasonable scientific basis and work out practical protective measures; (5)In the construction of the urban drainage scheme in the permafrost zone, it is suggested to form a unified three-stage drainage system with interrelated collection of rainwater and frozen water.

soil erosion; drain; permafrost zone; the suprapermafrost water in the cryolithozone; the city of Yakutsk

凍土工程國家重點實驗室開放基金(NO.SKLFSE201310)；黑龍江省水文局項目(NO.2014230101000411)

維克多·瓦西里耶維奇·舍佩廖夫(1941-)，男，教授，主要從事寒區地下水相關方向的科研和教學工作。

譯者簡介:戴長雷(1978-)，男，教授，主要從事寒區地下水及國際河流方向的教學和科研工作。

P642.14;P641

A

2096-0506(2016)12-0022-05